乐山市2020 年生态环境脆弱性评价

万 鹏，谭锶源

（成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059）

生态脆弱性是指生态系统在外界干扰下的敏感反应和自我恢复的能力。生态环境状况极大程度上影响着一个地区的可持续发展情况。随着技术的进步，人类对自然界的开采越来越广泛，但某些不合理的方式使得生态环境状况下降。生态脆弱性评估的研究受到越来越多的学者关注，朱琪等[1]研究了东北森林带生态脆弱性时空变化及其驱动因素；刘江等[2]通过研究生态脆弱性对北方防沙带东部生态安全格局进行构建和优化；张佳辰等[3]基于景观格局分析对青岛市海岸带进行了生态脆弱性评价；田盛等[4]研究了环杭州湾土地利用变化与生态脆弱性关系；孙桂丽等[5]研究了新疆生态脆弱性时空演变和驱动力因素；常溢华等[6]基于SRP 模型研究了江西鄱阳县生态脆弱性动态评价；孙宇晴等[7]基于SRP 模型研究了川藏线生态脆弱性时空特点和驱动力因素；刘佳茹等[8]基于SRP 模型研究了祁连山地区的生态脆弱性；目前生态脆弱性评价的模型有生态压力-生态敏感性-生态恢复力评价（Sensitivity-Resilience-Pressure，SRP）模型、暴露-敏感-适应（Vulnera bility-Scoping-Diagram，VSD）模型、压力-状态-响应（Pressure-State-Response，PSR）模型、压力-敏感-弹力（Pressure-Sensitive-Elasticity，PSE）模型等。乐山市作为长江上游的生态屏障，近年来全力推进生态保护与修复，结合乐山市生态脆弱性状况，本文基于SRP 模型对乐山市2020 年的生态脆弱性状况进行分析，为乐山市生态环境的修复和规划发展提供了科学依据。

1 研究区概况

乐山在长江经济带和南丝绸之路的交会点，是成渝城市群规划建设的成都平原的核心城市之一，也是长江上游的生态屏障，对长江的生态环境具有重要的影响。由于季风和地形隆升的影响，乐山市气候湿润，雨量充沛，水热同季，四季变换显著。大部分地区的年平均降水量超过1 000 mm，降水量具有季节性变化的特点，夏秋季节的降水量约占全年的80%，而春冬季节仅占全年的20%；年降水量差异较大，年最小降水量超过900 mm，而部分地区年最大降水量超过2 000 mm。

乐山市水资源、矿产资源、生物资源和旅游资源丰富，但由于人类的不合理开发和活动引发了水土流失严重、森林植被生态系统功能降低、自然灾害频繁发生等生态问题。

2 数据来源与数据处理

本文采用的遥感数据主要是2020 年Landsat8 的影像数据，分辨率为30 m，选取的影像数据云量较少，影像时间间隔较近，便于观察分析。非遥感数据主要包括植被数据、土壤数据、气象数据、土地利用数据和地形地貌数据，数据信息见表1。

表1 数据信息

3 研究方法

3.1 PSR 模型构建

生态环境状况是一个地区是否可持续发展的基本保障。生态环境状况是由自然因素和人类活动两者的共同作用所造成的。近年来，城市化进程的快速发展，人为因素引起了许多生态环境问题，导致区域生态安全风险日益突出。目前的研究方法和模型都能在一定程度上反映地区的生态环境现状，但选取的大多数指标都是基于统计年鉴数据，忽略了城市快速发展引起的城市热岛效应的影响，遥感数据中的信息和指标没有进行深入挖掘。研究结果显示，生态环境脆弱性的影响因素和尺度具有复杂性和差异性，我们应结合研究区域的特点，构建更全面、更准确、更能体现该地区生态环境状况的评价指标分析体系。

本文基于乐山市地理环境和人类活动等典型特点，选择SPR 模型，从生态敏感性、生态恢复力和生态压力度3 个方面选取乐山市生态脆弱性驱动因子，在完成2020 年时段所有评价指标的SPCA 计算后，各个因子通过加权及叠加运算得到乐山市2020 年的生态脆弱性指数[9]，从而通过具体数据定量分析乐山市2020 年生态环境脆弱性现状情况（见表2）。生态环境脆弱性指数计算公式如下式所示：

表2 乐山市生态脆弱性分级标准

式中，EVI 为生态环境脆弱性指数，ai表示第i 个主成分，bi为第i 个主成分的贡献率，ci为第i 个主成分的特征值。

EVI 值越大代表生态环境脆弱程度越大，生态环境恶劣程度越严重。为便于分析2020 年乐山市生态环境的脆弱状况，对生态环境脆弱性指数（EVI）进行归一化处理，其计算式如下：

式中，EEVIn为第n 年的生态脆弱性标准化数值，范围在0～1 之间；EVIn为第n 年的脆弱性指数值；EVIn，max、EVIn，min分别表示第n 年生态脆弱性指数的最大值和最小值。

3.2 指标指数因子

生态脆弱性综合评价模型中，对各种影响因子进行主成分分析，筛选出影响较大并相对独立的指标构成评价指标系统，以多方位的空间信息研究乐山市生态脆弱性的时空分布及特性。本文考虑乐山市地形地貌、气象条件以及人类活动等影响，并结合当前条件下的数据可获得性等，选取了以下11 个主要影响因子进行评价研究，如图1 所示。

图1 生态脆弱性指标

3.2.1 地形因子

地形因子主要包括海拔高度、坡位、坡向、坡度4个因素，通过影响气候和土壤等间接影响动植物的生长和分布，不同的地形环境对不同的地区生态环境的特点有着重要影响。人类活动与生态环境都与地形有着密切联系。本文选取表征地形因子的指标包括高程、坡度和地形起伏度。

3.2.2 土壤因子

本文所选的土壤因子为土壤侵蚀强度。本文采用RUSLE 模型（The Revised Universal Soil Loss Equation）[10]作为模拟研究区实际土壤侵蚀的定量模型如下：

式中，A 为实际年平均土壤侵蚀模数；R 为降雨侵蚀力因子；K 为土壤可蚀性因子；L 和S 为坡长和坡度因子；C为地表植被覆盖因子；P 为水土保持措施因子[10]。

3.2.3 气象因子

经度、纬度以及海拔对气象因子的影响很重要，同样的经纬度，不同海拔的降水量和气温存在差异，本文采用“多元回归+残差插值”的方法来实现降水量和气温的分布图。模型格式如下所示：

式中，f、L0、La、H 分别代表气象站点的实测气象数据值、站点的经度、纬度和海拔高度，i、j、k 为回归方程系数，m 为常数项，ρ 为站点残差值，φ 为结合海拔和经纬度得到的气象模拟值[11]。

3.2.4 景观格局

本文选择景观破碎度来表征景观格局因子。景观格局研究的最基本单位是斑块。本文选取重要生态功能景观斑块的密度作为评价因子，在一定程度上反映了人类对景观的影响程度[12]。其计算式为：

式中，Ci为景观i 的破碎度，Ni为景观i 的斑块数，Ai为景观i 的总面积。

3.2.5 生态压力度因子

生态压力度反映了生态承载力的客观支持能力大小与承载对象压力大小之间的关系。本次研究选取了乐山市人口密度，耕地占比率，GDP 以及人均GDP 来反映人类活动对生态承载力的压力影响。

本文用于评价乐山市生态环境脆弱性的11 个指标的原始数据差异较大，数据之间量纲不同以及数值差距也较大，同时不同的指标因子对于生态脆弱性的作用方向不一致，分为正向、负向（见表3）。为了消除以上数据之间的差异，使得各个指标因子之间拥有可比性以及能够叠加计算。本文采用极差标准化的方法来实现乐山市生态环境脆弱性评价指标的数据标准化处理[13-14]。将其划分为正向指标和负向指标。

表3 评价指标正负方向

正向指标：

负向指标：

式中，Yn为第n 个指标的标准化值；Xn为第n 个指标的初始化值；Xn，max为指标n 每个研究时段研究区范围内的初始最大值；而Xn，min则是对应的初始最小值。

3.3 主成分分析

通过SPSS 进行主成分分析（PCA）对11 个主要影响因子进行线性变换，并且确定权重后，避免主观偏差。表4 是乐山市2020 年11 个主要影响因子3 个主成分的成分占比，从中可以得出第一主成分（PC1）具有以下特征：（1）PC1 的贡献度均超过50%，远远大于其他主成分的贡献度，说明PC1 包含了3 个主成分中的大部分信息；（2）表中PC1 部分，高程、年均气温、年总降水量、生物丰度4 个指标均为负数，说明他们与生态脆弱性指数的大小成反比，与表3 相符。因此相比于其他主成分，PC1 更能体现生态脆弱性指数的大小。

表4 指标主成分占比

4 结果分析

本文基于Landsat8 系列遥感数据及多种不同的非遥感数据，通过RS 和GIS 技术相结合，以及利用统计学方法对数据进行更深层次的挖掘分析[15]，对2020 年乐山市生态环境脆弱性定量地进行了空间分异特征的变化研究，并初步研究了引起乐山市生态环境脆弱性空间变化的影响因素，为乐山市的生态环境修复和规划提供了数据支撑。通过上述研究，从图2 和表5 分析得出以下结论。

表5 生态环境脆弱性分类面积及百分比

图2 乐山市生态脆弱性分级

（1）乐山市整体上生态环境脆弱水平呈现西南部向东北部地区增加的总体趋势，梯度性明显，峨边彝族自治区、金口河区这些地区主要为山区，海拔较高，并未开发大量耕地与建筑用地，草地林地面积覆盖大，对生态环境起到了良好的保护作用，生态环境质量较好；而越往东北部地区发展，海拔较低，土地利用类型多元化，景观破碎度高，农田耕地数量大大增加，生态系统受到的破坏程度越显著，生态质量明显下降。整体上得出结论，乐山市生态脆弱性是自然环境和人类活动共同作用的结果[9]。

（2）乐山市2020 年整体上生态环境脆弱区面积占比情况：轻度脆弱和中度脆弱在研究区范围内占比87.977%，微度脆弱占比12.005%，潜在脆弱占比0.018%。由此得出乐山市整体生态环境处于中度脆弱水平，生态环境质量中等偏下。

5 结束语

总体而言，生态环境脆弱性水平主要从生态环境修复能力、自然环境恶劣程度、生物多样性、生态环境敏感性和环境容量考虑。脆弱的生态环境是由自然因素和人为力量综合作用导致[16-17]，但究其根源是人类活动间接或者直接影响自然因子，引起生态环境发生各种变化、甚至导致地区生态环境变得脆弱。保护生态环境，应该有效调控人类对自然资源的利用，提高人类生态保护意识，加强自然生态的保护建设，合理规划和修复脆弱的生态环境才是使得生态环境质量日益变好的关键，也是人类可持续发展的关键。